Sechs Möglichkeiten zur Kostensenkung durch Messung der Netzqualität in Einrichtungen

Markus Bakker, Fluke Corporation

Es ist bekannt, dass Netzqualitätsmessungen an Motoren und Antrieben die Effizienz elektrischer Anlagen verbessern und Kosten minimieren können. Es gibt jedoch mehrere versteckte Probleme im Zusammenhang mit dem Energieverbrauch, die die Kosten erheblich erhöhen sowie Geräteschäden und störende Ausfallzeiten verursachen können.

Die Konzentration auf diese sechs Aspekte der Stromqualität kann diese sechs versteckten Probleme aufdecken und Kosten senken sowie die Leistung der Installationen insgesamt verbessern.

Ungleichgewicht

In einem symmetrischen Dreiphasensystem müssen die Spannungen und Ströme in jeder Phase gleich sein oder extrem ähnliche Amplituden- und Phasenwerte aufweisen. Jedes Ungleichgewicht zwischen ihnen kann die Leistung verringern oder sogar einen vorzeitigen Ausfall verursachen. Eine schlechte Motorleistung tritt aufgrund von Gegendrehmoment und vorzeitigem Motorausfall auf, da die Unwucht übermäßige Wärme in der Wicklung erzeugt.

Die höchsten Kosten können durch den Austausch des Motors und entgangene Einnahmen verursacht werden, wenn der Stromkreis nicht geschützt wird, zusammen mit den entsprechenden Ausfallzeiten und Arbeitskosten zur Behebung des Problems. Aber das Ungleichgewicht wirkt sich auch auf die Energiekosten aus, da es die Motorleistung reduziert.

Eine der besten Möglichkeiten, Probleme mit Spannungsunsymmetrien im Voraus zu erkennen, besteht darin, sich die gemessene Spannung am Versorgungsanschluss (Eingang) anzusehen. Gemäß der Netzqualitätsnorm EN50160 muss die Spannungsunsymmetrie, also das Verhältnis zwischen Gegen- und Mitsystemkomponenten, am Anschlusspunkt weniger als 2 % betragen. Wenn die Spannung im Anschluss nicht gut ausgeglichen ist, wird die Stromversorgung in der gesamten Installation unausgeglichen und muss so schnell wie möglich vom Betreiber des Verteilungsnetzes repariert werden.

Das Ungleichgewicht kann in einer einzelnen Last oder in einem Zweig in der internen elektrischen Infrastruktur vorhanden sein, beispielsweise ein Elektromotor oder sogar eine Reihe von Motoren. Aus diesem Grund ist es ratsam, die Eingangsspannung und den Eingangsstrom zu überprüfen, wobei zu berücksichtigen ist, dass das Ungleichgewicht dieser beiden Parameter 2 % bzw. 6 % nicht überschreiten sollte. Das Stromungleichgewicht ist eine direkte Folge des Spannungsungleichgewichts, und wenn die Spannung ausgeglichen ist, ist die Ursache des Stromungleichgewichts ein Lastungleichgewicht.

Totale harmonische Verzerrung

Durch die Messung der gesamten harmonischen Verzerrung können wir feststellen, welcher Anteil der Spannungs- oder Stromverzerrung auf Oberwellen im Signal zurückzuführen ist. Während eine gewisse Verzerrung normal ist, sind weitere Untersuchungen erforderlich, wenn sie zu irgendeinem Zeitpunkt über 5 % liegen. Wenn dieser Verzerrungsgrad nicht angegangen wird, kann dies zu Problemen führen, wie z. B. hoher Stromfluss in Neutralleiter, Motoren und Transformatoren, die heiß werden (was die Lebensdauer der Isolierung beeinträchtigt), schlechter Transformatorwirkungsgrad (oder die Notwendigkeit, einen größeren Transformator zu verwenden, um Oberschwingungen aufzunehmen ) und hörbare Geräusche und Vibrationen durch Transformatorkernsättigung (Lärm und Vibration sind Energieverschwendung).

Der größte Teil der gesamten harmonischen Verzerrung ist auf die Verkürzung der Nutzungsdauer von Motoren und Transformatoren zurückzuführen. Wenn die betroffenen Geräte Teil eines Produktionssystems sind, können natürlich die Einnahmen sinken, da Oberschwingungen die Effizienz und Leistung von Motoren und Transformatoren verringern.

Der beste Weg, diese Probleme zu identifizieren, besteht darin, die Messungen anhand des normalen Pegels der Motoren, Transformatoren und Neutralleiter durchzuführen, die die elektronischen Lasten versorgen. Es ist wichtig, die Strompegel und Temperaturen in den Transformatoren zu überwachen, um sicherzustellen, dass sie nicht zu hoch sind, und zu verstehen, dass der Neutralstrom niemals die Kapazität des Neutralleiters überschreiten sollte.

Oberschwingungen stammen oft von bestimmten Maschinen oder elektrischen Anlagen und treten nur auf, wenn diese Betriebsmittel in Betrieb sind. Daher ist es sehr hilfreich, die Messwerte zusammen mit der Zeit aufzuzeichnen, um das zeitweilige Vorhandensein von Oberschwingungen direkt bestimmten Prozessen zuordnen zu können.

Die bisher genannten Oberschwingungen reichen bis zur 50. Harmonischen und leiten sich von der Grundfrequenz der Spannung ab, die bei 50 Hz liegt. Angesichts des boomenden Einsatzes von Leistungselektronik wie Antrieben oder Frequenzumrichtern können die häufigsten Oberschwingungen das Netz verunreinigen. Diese Komponenten stehen in keinem Zusammenhang mit der Grundleistung und werden durch das oben erwähnte Schalten verursacht. Diese „Supraharmonischen“ stören Prozesssteuerungsgeräte und können diese Prozesse sogar stoppen.

Vorübergehend

Elektronische Geräte sind auch sehr anfällig für Transienten. Dies sind Spannungsimpulse, deren Dauer extrem kurz ist (weniger als 10 Millisekunden), aber ihre Spannung sehr hoch sein kann (bis zu 6 kV). Impulse können durch Schalten großer Lasten, Entladen von Kondensatoren und sogar Blitzschlag verursacht werden. Wenn elektronische Geräte von einem Transienten betroffen sind, können sie auslösen oder die Prozesse beeinträchtigen, für die sie programmiert sind.

Um sicherzustellen, dass die Probleme durch Transienten verursacht wurden, muss ein Messgerät verwendet werden, dessen Abtastrate hoch genug ist, um das Ereignis zu erfassen. Es ist wichtig, dass diese Geräte eine Erdverbindung haben und das erfasste Ereignis angezeigt wird, damit auf die Quelle des Spannungsimpulses geschlossen werden kann.

Die einzige Möglichkeit für diese Geräte, nach einem solchen Ereignis „wieder online zu gehen“, ist ein manueller Reset, was bedeutet, dass Produktionsprozesse gestoppt werden müssen. Darüber hinaus ist es notwendig, die Qualität aller Produkte zu überprüfen, die seit der Veranstaltung hergestellt wurden. Um Geräte vor Transienten zu schützen, können Überspannungsableiter installiert werden, die den Spannungsimpuls zur Erde leiten, bevor er zu elektronischen Geräten geleitet wird.

Spannung abfällt

Ein Spannungseinbruch ist ein vorübergehendes Absinken des Spannungsniveaus, das durch hinzugefügte Lasten verursacht werden kann, ohne dass die Anlagenbetreiber dies bemerken. Diese Lasten können kurzzeitig Netzspannung aufnehmen, wenn sie hohe Einschaltströme ziehen. Dadurch können elektronische Geräte zurückgesetzt oder der Überstromschutz aktiviert werden. Einbrüche in einer oder zwei Phasen von dreiphasigen Lasten können dazu führen, dass die anderen Phasen als Ausgleich einen höheren Strom ziehen.

Spannungsabfälle können den Umsatz reduzieren, wenn zum Beispiel ein Computer oder ein Steuerungssystem neu gestartet wird, ein Frequenzumrichter ausgelöst wird und die Lebensdauer einer USV infolge von Stromausfällen verkürzt wird, häufige Ladezyklen. Jede vorbeugende Wartungsstrategie muss Überwachungsmaßnahmen in Motoren, USVs, Frequenzumrichtern und Schalttafeln umfassen, die industrielle Steuerungen oder Computergeräte versorgen. Die offensichtliche Konsequenz dieser Maßnahme wäre die Minimierung von Ausfallzeiten und Kosten.

Um die Schwere eines Abfalls zu beurteilen, ist es wichtig, die „Tiefe“ des Abfalls (in Prozent der Nennspannung) und seine Länge (in Millisekunden) zu messen. Aus diesen beiden Parametern ist ein Vergleich mit den Grenzwerten des ITIC (Information Technology Industry Council) möglich. Elektronische Geräte können Spannungsabfälle annehmen, solange sie innerhalb dieser Grenzen liegen. Ist dies nicht der Fall, müssen Anstrengungen unternommen werden, um diese Stürze abzumildern. Ein Problem bei Unfällen besteht darin, dass sie oft intermittierend auftreten, sodass Messungen programmiert werden müssen, um sie automatisch zu erfassen. Wird ein zuvor definierter Aktivierungspegel überschritten, beginnt die Messeinrichtung mit der Aufzeichnung des Ereignisses.

Spitzenbedarf

Die Verbrauchswerte industrieller (und gewerblicher) Anlagen werden von Energieversorgern mehrmals pro Stunde überwacht, um ihren durchschnittlichen Energiebedarf zu kennen. Insbesondere Produktionsanlagen verbrauchen beim Hochfahren in der Regel eine große Menge Energie, was sich darauf auswirken kann, wie Versorgungsunternehmen ihre Lasten auf der Grundlage des Spitzenbedarfs berechnen können (der höchste durchschnittliche Bedarf über alle Intervalle in einem Stromzyklus).

Der Weg zur Reduzierung dieser Kosten besteht darin, die Ladezyklen zu staffeln, um den Bedarf zu glätten und den Gesamtstromverbrauch zu jedem Zeitpunkt zu minimieren. Dazu ist es wichtig zu prüfen, welches Bedarfsintervall der Energieversorger verwendet und den Strombedarf über die Zeit am Anschluss mit einem Power Quality Recorder zu messen. Es erleichtert auch die Identifizierung signifikanter Lasten, die gleichzeitig auftreten, und misst den Bedarf, um die Messwerte für jede Last zu überprüfen.

Für den Fall, dass die Installationen das vertraglich vereinbarte Niveau der Spitzenlast überschreiten, können die Elektrizitätsunternehmen erhebliche Bußgelder verhängen. Daher ist es wichtig, übermäßige Ausgaben zu vermeiden und die Energiekosten zu regulieren, um das Einkommen zu schützen und die Ausgaben zu senken.

Leistungsfaktor

Nicht der gesamte erzeugte und zum Endverbraucher transportierte Strom wird effizient genutzt, und es ist die Wirkleistung (gemessen in kW), für die der Endverbraucher bezahlt. Die Blindleistung, die auch Teil der über die Infrastruktur transportierten Stromversorgung ist, wird nicht genutzt und dem Endverbraucher nicht in Rechnung gestellt, kann also als Verschwendung angesehen werden. Das bedeutet, dass Infrastrukturelemente wie Kabel, Schalter und Transformatoren so dimensioniert sind, dass sie die volle Leistung tragen, aber nur ein Teil dieser Infrastruktur effizient genutzt wird. Diese Gesamtleistung wird als Scheinleistung bezeichnet und in kVA gemessen.

Das Verhältnis zwischen Wirkleistung und Scheinleistung gibt die Effizienz bei der Energienutzung an, und wenn es gleich 1 ist, bedeutet dies, dass die gesamte Scheinleistung verbraucht und verrechnet wird; Je niedriger diese Zahl ist, desto weniger effizient ist die Nutzung der Scheinleistung. Da Energieversorger dem Endverbraucher Blindleistung nicht in Rechnung stellen können, wird im Vertrag eine Grenze festgelegt. Bei Überschreitung dieser Grenze kann ein erhebliches Bußgeld verhängt werden. Das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung wird „cos phi“ oder „Verschiebungsleistungsfaktor“ genannt und sollte idealerweise nie unter 0,95 fallen.

Neben dem Bußgeld kann eine weitere negative Folge des schlechten cos phi eine Überhitzung der Infrastruktur sein. Um dieses Problem zu vermeiden, ist es notwendig, Kondensatorbänke in der Nähe von hohen Lasten wie Motoren mit einer Leistung von mehr als 50 kW oder an einem zentralen Punkt in der Nähe des Verteilers zu installieren.

Auch Oberschwingungen können den Leistungsfaktor beeinflussen. Wenn Oberschwingungen vorhanden sind, reicht eine Kompensation durch Kondensatoren allein nicht aus, daher muss unbedingt auf eine Filterung zurückgegriffen werden, um die negativen Auswirkungen von Oberschwingungen zu reduzieren.

Die Lösung dieser sechs versteckten Probleme im Zusammenhang mit dem Energieverbrauch trägt dazu bei, Abfall, Ausfallzeiten und Geräteschäden zu minimieren und gleichzeitig Produktivität und Effizienz zu maximieren.